Thèse Etude Expérimentale et Modélisation de la Dégradation d'Un Carburant en Écoulement dans des Conditions Représentatives du Fonctionnement d'Un Moteur d'Avion H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques Energétiques et MAtériaux pour l'InGénierie Laboratoire de recherche : ONERA-DMPE Département Multi-Physique pour l'Energétique Direction de la thèse : Mickaël SICARD ORCID 0000000338578329 Début de la thèse : 2027-01-01 Date limite de candidature : 2026-12-31T23:59:59 La cokéfaction ou formation de dépôts est une question qui revient régulièrement au centre des discussions sur le carburéacteur : incorporation d'EMAG (pollution par des biocomposants lors du transfert dans les pipe-line), carburants alternatifs, augmentation de la densité de puissance de moteurs, etc... La formation de ces dépôts pour un aéronef en exploitation peut s'avérer catastrophique, perturbant l'alimentation en carburant de la chambre de combustion ou altérant le fonctionnement de différents organes (vannes aux marges de tolérance particulièrement serrées, roues d'injection carburant).
Les travaux proposés se focalisent sur la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la dégradation des carburants et la détermination des vitesses de dépôts en fonction de divers paramètres tels que la température et la nature des matériaux en contact. Dans un souci de répondre au mieux au besoin industriel, une attention particulière sera portée à la mise en oeuvre d'essais relatifs à la décomposition thermo-oxydative et pyrolytique de carburants, dans les conditions de fonctionnement représentatives de celles des moteurs réels. En appui des activités expérimentales, un effort de modélisation et de simulation sera mené pour développer des outils permettant d'anticiper la formation de dépôts de coke.
Les principaux paramètres influençant la formation de dépôts seront explicités, qu'ils soient liés à l'environnement du carburant (matériaux en contact, nature de l'écoulement, température pression...) ou au carburant lui-même (composition chimique, taux d'oxygène, EMAG, impuretés...). Si nécessaire, des méthodes d'essai spécifiques permettant la validation des modèles et des différentes hypothèses soulevées précédemment seront développées.
Le projet de thèse devra donc répondre aux questions suivantes.
- Quelle description phénoménologique de la cokéfaction peut être faite ?
- Quels sont les paramètres exogènes au carburant qui contribuent aux différents phénomènes de cokéfaction et quelles sont leurs importances respectives ?
- Quels sont les paramètres endogènes au carburant qui contribuent aux différents phénomènes de cokéfaction et quelles sont leurs importances respectives ?
- Quels sont les modèles actuels qui permettent de rendre compte des phénomènes de cokéfaction et quel est leur niveau de maturité ?
- Quelles seraient les avancées nécessaires pour faire progresser le degré de pertinence des modèles cités précédemment afin qu'ils puissent être intégrés aux outils de conception industriels ?
- Quelle méthodologie serait à mettre en place pour caractériser plus finement la propension d'un carburant à cokéfier ? Le phénomène de cokéfaction est lié à une altération du carburant qui, soumis à température, se dégrade pour former des dépôts. Les paramètres qui influent sont liés à la composition chimique du carburant mais aussi aux conditions rencontrées par celui-ci (températures du fluide mais aussi des parois, temps de contact, nature et rugosité des parois). La formation du dépôt et les conséquences induites sont donc directement liées à la qualité du carburant et à la technologie du moteur. La cokéfaction est un axe de recherche de plus en plus important qui concerne les motoristes et les équipementiers du secteur aéronautique (avions et hélicoptères). La réduction des émissions en sortie de moteur passe par des développements technologiques qui modifient les conditions d'emploi du carburant (température, débit, section de passage...) et peuvent conduire à une augmentation du caractère cokéfiant d'un carburéacteur. De plus, le foisonnement des filières de production des carburants alternatifs conduira à l'intégration de carburants se démarquant de plus en plus du kérosène Jet A-1 fossile. Il est donc de première importance de progresser sur la compréhension des mécanismes de formation des dépôts solides à partir d'un carburéacteur de référence, le Jet A-1 fossile, afin d'anticiper les problèmes induits par l'utilisation de carburants alternatifs dans des systèmes aéronautiques en constante évolution.
L'unité CMEI travaille sur ce thème d'étude depuis plusieurs années et en 2021 une première thèse sur l'étude de l'oxydation des carburants a été soutenue. Il est donc nécessaire de continuer le travail mené afin d'axer les recherches sur la formation des dépôts et d'intégrer un volet sur les modèles correspondants. 1. Étude bibliographique et choix de la matrice carburant
1.1. Étude bibliographique
1.2. Matrice carburant et analyses physico-chimiques
2. Étude de l'oxydation et du craquage des carburants (volets expérimental et modélisation)
2.1. Étude expérimentale de la dégradation des carburants en phase homogène
2.2. Étude expérimentale de la dégradation des carburants en contact avec des métaux
2.3. Modélisation des vitesses de formation des dépôts en fonction des conditions d'essais
3. Essais et modélisation sur JFTOT et banc de cokéfaction
3.1. Étude paramétrique de la formation de dépôts sur le dispositif JFTOT et sur le banc de cokéfaction si nécessaire.
3.2. Modélisation de la cokéfaction en écoulement dans le JFTOT et dans une conduite équipée d'un injecteur unitaire.